높은 Kerr 비선형 특성을 가지는 광 도파로의 제작 및 특성 분석

Abstract

광학 매질의 굴절률이 입사하는 빛의 세기에 의해 의존하여 변화하는 optical Kerr-effect는 다양한 물리적 현상을 수반한다. 일예로 비선형 광학 매질을 진행하는 빛의 새로운 스펙트럼 성분을 생성하는 자기 위상 변조 (Self-phase modulation)나 사광파 혼합(Four-wave mixing)은 optical Kerr-effect의 대표적인 현상이다. 또한 펄스 레이저 제작에 있어 수동 모드 잠금 방식에 사용되는 포화 흡수체 소자의 광학적 특성 역시 이와 관련된 비선형 광학 현상이다. 이런 Kerr-비선형성을 구현할 수 있는 매질 중에 찰코지나이드 유리(Chacogenide glass)는 실리카 등 일반적인 광학 매질과 비교하여 수백 배~천배 정도 높은 3차 Kerr 비선형성을 가지고 있어 작은 구조에서 optical Kerr-effect를 구현하기 용이하고 최근 각광받고 있는 신 물질인 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 및 그래핀(Graphene) 역시 높은 광학적 비선형 특성을 가지고 있다고 알려져 있어 이에 대한 본격적인 연구가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 두 가지 방향으로 진행한 비선형 도파로에 관한 연구를 진행하였다. 첫 번째 연구는 찰코지나이드 유리를 이용한 도파로 제작 및 측정이다. 도파로 전제 분산값이 영분산이나 비정상 분산값일 때 솔리톤 펄스를 이용한 비선형 현상을 효과적으로 구현할 수 있지만 찰코지나이드 물질 자체는 큰 정상 분산값(D ~ -650 ps/km/nm @ 1550 nm)을 가지고 있어 이를 도파로 분산값으로 보정하여 비선형 현상을 구현하기 위한 도파로 설계를 진행하였다. 설계한 구조를 바탕으로 포토리소그래피 기술을 이용하여 직접 찰코지나이드 기반의 비선형 도파로를 제작하였고 제작된 도파로의 선형, 비선형 특성을 측정하는 시스템을 설계하고 기본적인 광학적 특성을 측정하였다. 두 번째 연구에서는 탄소나노튜브 및 그래핀이 포함된 포화 흡수체 소자의 비선형 특성을 측정하였다. 포화 흡수체는 극초단 펄스 레이저를 제작하기 위해 수동 모드잠금 방식에 사용되는 소자이다. 이 소자는 입사하는 세기가 증가함에 따라 투과도가 증가하는 비선형 특성을 가지고 있는데 세기가 증가함에 따라 투과도가 변화하는 범위를 변조세기라고 정의한다. 이 변조세기는 펄스폭과 펄스 레이저의 안정적인 발진에 중요한 역할을 차지한다. 광섬유 레이저 공진기에 삽입되는 in-line 포화 흡수체의 변조세기를 측정하기 위한 시스템을 구성하였다. 구현한 시스템은 넓은 영역에서 매우 정밀한(0.18 %) 측정 오차를 가지고 있었다. 이를 이용하여 몇 가지 탄소 나노물질 기반 포화 흡수체의 투과율을 측정하고 결과를 분석하였다.